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基于压电陶瓷的纳米驱动与定位控制系统研究

作　者: 胡博
导　师: 唐小萍
学　校: 中国科学院研究生院（光电技术研究所）
专　业: 电子与通信工程
关键词: 压电陶瓷驱动电源控制电路定位技术
分类号: TM282
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 22次
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内容摘要

随着精密工程和微细加工技术的迅速发展，纳米级定位与驱动技术已成为光学工程，微电子技术，航空航天，生物工程等学科的关键技术。压电陶瓷驱动器以其体积小，位移分辨率高，推力大，频响高，不发热，无噪声等优点，被广泛应用。压电陶瓷驱动器正是利用逆压电效应的原理驱动压电陶瓷产生微位移，从而实现纳米级的定位。压电陶瓷驱动器的使用必须由驱动电源来控制，驱动电源的优劣对压电陶瓷驱动器的微位移定位精度影响很大，一部分取决于驱动电源的静态性能，但绝大部分取决于压电陶瓷驱动电源的动态性能。因此，压电陶瓷驱动电源技术的研究是压电陶瓷驱动器高精度定位的关键。本课题主要由模拟电路和数字电路两部分构成。首先，基于电压控制型的原理，采用高压运放式结构，设计压电陶瓷驱动电源。其次，为了实现对压电陶瓷微位移定位的闭环控制，系统采用FPGA作为数字电路主控芯片，控制数模转换和模数转换，并且通过计算机与串口之间的数据通信，实现位移量的实时测量与校正。本文给出了电路设计的具体方法，以及仿真结果，验证了设计方案的正确性和可行性。论文最后对设计的压电陶瓷驱动与定位控制系统进行实验测试，分别对输出电压范围、分辨力、交流信号响应、线性度、电源误差、静态纹波，稳定性以及系统定位精度等特性进行了研究。实验表明，驱动电源输出电压范围从0到106V可调，具有14位分辨力，良好的动态性能，线性度小，电源非线性误差小（约为0.024%），静态纹波小（约2mv左右），稳定性强（约为0.014%），系统定位精度高。

全文目录

致谢  4-6
摘要  6-7
ABSTRACT  7-8
目录  8-11
第1章绪论  11-21
  1.1 引言  11
  1.2 国内外研究现状  11-16
    1.2.1 电压控制型  11-15
    1.2.2 电荷控制型  15
    1.2.3 控制方式  15-16
  1.3 国内外产品综述  16-19
    1.3.1 HVA 系列压电陶瓷驱动电源  16-17
    1.3.2 HPV 系列压电陶瓷驱动电源  17-18
    1.3.3 E-753 型低压压电陶瓷驱动电源  18-19
  1.4 本文主要研究目的和研究内容  19-21
    1.4.1 本文主要研究目的  19
    1.4.2 本文主要研究内容  19
    1.4.3 理想性能指标要求  19-21
第2章压电陶瓷驱动与定位控制系统总体方案设计  21-28
  2.1 引言  21
  2.2 压电陶瓷驱动与定位控制系统组成  21-22
  2.3 压电陶瓷驱动电源设计  22-25
    2.3.1 驱动电源的设计原理  22-23
    2.3.2 直流稳压电源的设计原理  23-25
  2.4 压电陶瓷控制模块设计  25-27
  2.5 小结  27-28
第3章压电陶瓷驱动电源的设计  28-39
  3.1 引言  28
  3.2 驱动电源的总体设计  28-29
  3.3 压电陶瓷驱动电源的电路设计  29-34
    3.3.1 集成功率放大器的选择  29
    3.3.2 压电陶瓷驱动电源的电路设计  29-31
    3.3.3 直流稳压电路的设计  31-34
  3.4 压电陶瓷驱动电源的仿真分析  34-38
    3.4.1 对输入正弦交流信号的分析  35
    3.4.2 电源线性度的分析  35-36
    3.4.3 电源的误差分析  36-37
    3.4.4 静态电压纹波分析  37
    3.4.5 稳定性分析  37-38
  3.5 小结  38-39
第4章压电陶瓷驱动与定位系统控制模块设计  39-50
  4.1 引言  39
  4.2 控制模块硬件电路设计  39-48
    4.2.1 控制系统设计原理  39-40
    4.2.2 FPGA 概述  40-41
    4.2.3 FPGA 工作原理  41
    4.2.4 FPGA 结构  41-43
    4.2.5 FPGA 硬件电路设计  43-48
  4.3 控制模块软件设计  48-49
  4.4 小结  49-50
第5章系统的实验研究及数据分析  50-61
  5.1 引言  50
  5.2 实验研究及数据分析  50-60
    5.2.1 输出电压范围及分辨力实验  51-52
    5.2.2 输入交流信号分析实验  52-53
    5.2.3 线性度分析实验  53-54
    5.2.4 电源的误差分析实验  54-56
    5.2.5 静态纹波实验  56-57
    5.2.6 稳定性分析实验  57-59
    5.2.7 驱动压电陶瓷实验  59
    5.2.8 微定位特性实验  59-60
  5.3 小结  60-61
第6章总结与展望  61-63
  6.1 总结  61
  6.2 存在的问题  61-62
  6.3 主要创新点  62
  6.4 展望  62-63
参考文献  63-65
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果  65

基于压电陶瓷的纳米驱动与定位控制系统研究

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